CC BY
11ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ОСАЖДЕНИЯ АЛМАЗНОГО
ПОКРЫТИЯ ОТ СОСТАВА ПЛАЗМЕННОЙ СМЕСИ
1 2 Ушаков В.А. , Самойлова И.В.
1Ушаков Владимир Андреевич - кандидат физико-математических наук, научный сотрудник,
Национальный научный центр Харьковский физико-технический институт; 2Самойлова Ирина Владимировна - инженер, физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина, НАН Украины, г. Харьков, Украина
Аннотация: исследовалась экспериментальная зависимость скорости осаждения алмазного покрытия (АП) в СВЧ CVD (Chemical Vapor Deposition) методом из ионизированной, с помощью СВЧ газовой смеси метан/водород (CH4+H2). Изучалось осаждение из различных групп активных частиц, являющихся компонентами газоплазменного облака. Обнаруженная структура на вейвлет спектрограмме, подтвердила наличие различных по эффективности групп частиц, содержащих атомы углерода. Эти группы вносят индивидуальный вклад в скорость роста алмазной фазы на участках подложки с различной температурой. Полученная вейвлет спектрограмма даёт возможность оценки относительных концентраций активных частиц в газоплазменном облаке вблизи поверхности подложки. Ключевые слова: алмаз, атом, вейвлет, водород, диффузия, метан, микрокристалл, осаждение, плёнка, радикал.
1. Введение
Ранее в работе [1] было предположено, что процесс осаждения АП, в методе СВЧ CVD, основан на конкурентном присоединении, осаждённым алмазным покрытием, всех типов углеводородных радикалов (СНх, 0<х<3), присутствующих в газоплазменном облаке над подложкой. При этом предполагалось, что главную роль играет СН3 - радикал. Приводилась формула для скорости роста G^í и среднего размера микрокристаллов, которая учитывает концентрацию атомов водорода [Н] и фрагментов [СНх] (0<х<3) вблизи растущей алмазной поверхности:
Gbl=3.8 x1 ff14Ts05[CH3]R2
где Ts - температура подложки в К, [СН3] - концентрация метильных радикалов в см~3 на поверхности подложки и R - доля монорадикальных участков с оборванными водородными связями на поверхности алмазного конденсата.
Целью данной работы являлось проведение анализа экспериментальной зависимости скорости роста АП и определение возможности оценки степени вклада в скорость роста отдельных групп активных частиц, содержащих атомы углерода, вблизи поверхности подложки.
2. Методика
Процесс синтеза алмазных плёнок методом CVD, проводился путём плазменной активации газовой смеси водорода и метана в электрическом СВЧ разряде. В работе [1] было отмечено, что в плазменном облаке, находящемся вблизи поверхности подложки и на самой подложке, могут протекать около 240 прямых и обратных плазмохимических реакций. В них участвуют 18 групп нейтральных частиц, включающих атомы углерода: С, СН, 3СН2, 1СН2, СН3, СН4, С2Н, С2Н2, С2Н3, С2Н4, С2Н5, С2Н6, С3, С3Н, С3Н2, С4, С4Н, С4Н2, и восемь заряженных частиц с атомами углерода: С2Н2+, С2Н3+, C+, C2+, C3+, CH+, C2H+, C3H+. При расчёте рассматривались
только частицы, содержащие атомы углерода (26 групп), как непосредственно поставляющие углерод для роста микрокристаллов алмаза.
Естественно, вклад в скорость роста алмазной фазы для каждой группы этих частиц неравнозначен. Он будет зависеть от температуры участка подложки, концентрации каждой группы и от собственной энергии активации каждой из этих 240 динамических реакций. Вместе с тем, в работе [1] показано, что основной вклад в скорость роста вносит СН3- радикал, вклады остальных групп частиц менее значительны.
В данной работе проведена серия экспериментов по осаждению алмазного покрытия на металлические подложки методом плазмохимического осаждения с использованием СВЧ реактора (CVD-метод). Подробное описание установки и условий экспериментов приведены в работах [2, 3]. В ходе изучения влияния, различных параметров процесса осаждения алмазного конденсата на морфологию покрытия, получена зависимость скорости роста алмазной фазы от температуры подложки рис. 1. Все экспериментальные точки на кривой получены путём создания линейного градиента температуры вдоль одного направления подложки, при её установке под углом 1°...2° к подложкодержателю. При этом создавались различные условия для синтеза АП на каждом её участке. Затем усреднённые экспериментальные значения скорости осаждения обрабатывались кубическим сплайном. Как видно на рис. 1, зависимость скорости роста от температуры подложки ведёт себя немонотонным образом с максимумом вблизи температуры 930°С. Можно предположить, что данная зависимость содержит в себе информацию о вкладах различных групп активных частиц, являющихся компонентами газоплазменного облака, из которого идёт осаждение на подложку. Эти группы частиц будут вносить различный вклад в скорость роста алмазных микрокристаллов на каждом участке подложки. Их влияние может проявиться в виде слабой тонкой структуры, изломов или изгибов зависимости скорости роста алмазных микрокристаллов от температуры, которая, предположительно, может содержать информацию и о вкладах этих групп активных частиц в скорость роста.
Для выявления особенностей зависимости скорости осаждения от температуры участков подложки был проведен вейвлет анализ, полученных экспериментальных результатов.
Вейвлет преобразование исследуемой функции одной переменной преобразует её в набор вейвлет коэффициентов Ws(a, Ь), который представляет собой функцию двух переменных параметров - масштаба a и смещения b и является поверхностью в 3-мерной системе кординат. Если при вычислении эти параметры изменяются в необходимых пределах, то этот набор коэффициентов вейвлет преобразования Ws(a, Ь), содержит в себе полную информацию об исследуемой функции.
Непрерывное (интегральное) вейвлет-преобразование (НВП или CWT- continuous wavelet transform), т.е. анализ функции, осуществляется по формуле:
Рис. 1. Зависимость скорости роста АП от температуры подложки
б
Рис. 2. Вейвлет спектрограмма зависимости скорости роста АП от температуры подложки, а и б; б — выделена ниж^^няя область с 26-ю тонкими полосами от 26 групп активных частиц
а
а обратное преобразование (синтез функции) по формуле:
1 ff dadb
S(x)=—j J И£(а,Ь)0аЬ(д:) —
где ipab (x) = ip —^ - система базисных функций, включающих сдвиг по оси
абсцисс - b и переменный масштаб - a по оси ординат [4].
Вейвлет анализ экспериментальной зависимости для скорости роста (рис. 1) проводился с использованием системы компьютерной математики MATLAB. Полученная вейвлет спектрограмма для непрерывного преобразования приведена на рис. 2. На спектрограмме видны участки, на которых коэффициенты Ws(a, b) принимают нулевое или минимальное значение, они имеют чёрный или серый цвет, а участки с большим или максимальным значением (направленным к наблюдателю) -более светлый или белый цвет.
Анализируя полученную спектрограмму, можно видеть в верхней части, явно выраженные семь светлых областей. В нижней части хорошо проявились 26 небольших узких светлых зон, являющихся продолжением и разветвлением верхних областей. Они указывают на наличие тонкой структуры в экспериментальной зависимости скорости роста. Их пространственный сдвиг относительно друг друга означает, что некоторые из 26 групп частиц (предположительно, радикалы, имеющие малые концентрации), дают меньший вклад в скорость роста, при разных температурах, на разных участках подложки. А семь верхних больших светлых областей свидетельствуют о преимущественном вкладе некоторых семи основных групп частиц, вероятнее всего это CH3, С2Н2, C2H3, CH2, и др. [5], имеющих наибольшие концентрации в газоплазменном облаке. Вклады остальных групп частиц, ввиду их меньших концентраций, на спектрограмме выражены в виде перепадов полутонов. Они также пространственно разнесены на спектрограмме, что указывает на зависимость их вклада в скорость роста АП на участках подложки с различной температурой. 3. Заключение
На вейвлет спектрограмме проявилась структура - семь основных областей в функциональной зависимости скорости роста алмазной фазы от температуры подложки и компонентов газоплазменного облака. Проявилась также тонкая структура для 26 групп различных частиц (вероятнее это C2Hx, (x=1...5), С2Ну, (у=1...3) и др. [1]), вносящих заметный вклад в скорость роста. Некоторые из этих групп частиц, с меньшими концентрациями, проявили свой вклад менее выраженными полутонами на спектрограмме. Для их лучшего выявления необходимо большее количество экспериментальных точек. По полученной вейвлет спектрограмме предоставляется возможность провести сравнение относительных концентраций активных частиц в газоплазменном облаке вблизи поверхности подложки. Данный анализ подтверждает разложение рабочей газовой смеси CH4 + H2 в СВЧ-разряде на множество компонент активных групп частиц (26 групп), вносящих различный вклад в скорость роста алмазной фазы. Для определения состава этих групп частиц и их относительных концентраций требуется проведение дополнительных экспериментов и соответствующих расчётов.
Список литературы
1. Mankelevich Yuri A., Michael N., Ashfold R. and Jie Ma. Plasma-chemical processes in microwave plasma-enhanced chemical vapor deposition reactors operating with C/H/Ar gas mixtures // Journal of applied physics. 104. 113304, 2008.
2. Залеский Д.Ю., Ушаков В.А., Кушнир В.А., Решетняк Е.Н., Стрельницкий В.Е. Установка на базе СВЧ - резонаторного источника плазмы тлеющего разряда для синтеза алмазных покрытий // Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур: межд. науч. конф. (Харьков, октябрь, 2009). Сборник научных трудов. Том 1. С. 244-247.
3. Ушаков В.А., Волков Ю.Я., Залеский Д.Ю., Стрельницкий В.Е. Доклад «Влияние параметров газофазного осаждения на морфологию алмазного покрытия» // Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур: IV межд. науч. конф. (Харьков, 6 - 8 октября 2010). Сборник трудов ХНУ. Харьков.
4. Chui Ch.K. An Introduction to wavelets, 1992.
5. Angus J.C., Argolita А. et al. Chemical Vapour Deposition of Diamond // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A., 1993. 342. P. 195-208.
